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作者:(美) 美国国家体能协会

出版社:人民邮电出版社

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美国国家体能协会运动营养指南

美国国家体能协会运动营养指南试读:

前言

什么是运动营养?不同的人对此有着不同的认识。究其本质,运动营养是指在特定时间摄取正确剂量的营养物质以改善运动表现的实践。虽然一部分运动人群的目标是提高竞技运动表现,但许多运动人群并不参加竞技比赛,他们的目标只是改善体成分、缩短5千米跑步的时间,或者增加卧推质量等。有趣的是,运动营养的原则不仅适用于高水平运动员,也对第一次聘请私人教练的初学者有效。本书的主要目的之一就是将实用的科学信息传递给各类健身爱好者和参加比赛的运动员。

在过去的几十年,运动营养领域的科学研究持续增加。事实上,自1990年以来,运动营养领域的同行评审学术期刊论文的数量急剧增加。运动科学和营养领域的科学期刊的每期刊文中,都至少包括一篇与运动营养相关的研究性或综述性文章。尽管这些学术期刊中的文章回答了运动营养领域中的众多问题,但是运动营养领域仍有许多问题悬而未决,对营养摄入量、补剂和运动表现等问题也有着不同的见解。本书所举的例子包括与最佳化训练相适应的蛋白质摄入量、肌酸补剂的安全性,以及提高运动表现的最佳补剂组合。正是这些未回答的问题和不同的见解推动着运动营养研究的不断进步和发展。这些研究与许多人密切相关,从参加多项体育运动的青少年的母亲,到专门从事某项运动专项的奥林匹克运动员。

本书将讨论食物和运动补剂与人体生物学功能相互作用的方式。书中引用了大量相关研究来强调特定营养摄入量,这些摄入量都已被证实能够改善运动表现。一些章节还提供了评估运动员营养状况和基于此评估制订营养计划的信息。总体来说,本书让读者能够更好地理解摄取的食物如何代谢、储存和氧化成能量。书中所引用的研究介绍了如何合理选择营养物质来提升运动表现。

本书共分为12章。第1章简要介绍营养物质如何影响运动表现。接下来的几章讨论了宏量营养素(碳水化合物、蛋白质和脂肪),尤其是这些营养物质如何代谢、储存和氧化成能量,并根据科学研究提出一些有关这些营养素摄入量的建议,从而促进有氧、无氧和力量训练的运动表现。第5章主要讨论了有氧耐力运动员和力量运动员的液体需求与运动中的体液平衡等相关话题,并概述了由于液体摄入不足或过多而导致的常见问题。第6章讲述了微量营养素及其在新陈代谢和运动中的作用。后续几章讨论了具体的营养策略和营养强化剂,研究已经证明,这些营养策略和营养强化剂可以增强有氧耐力、力量和爆发力;同时也讨论了可以改善体成分的营养策略和营养强化剂。最后两章提供了关于评估营养状况和根据评估结果制定综合方案的重要信息。

运动营养是一个统称,涵盖了大量信息。我们希望这本书可以帮助读者更好地了解食物、运动补剂以及它们与人体生物系统的相互作用,以及如何提升运动表现。致谢

我们要感谢所有带领我们进入运动营养领域的人。你们的辛勤工作、奉献和知识为紧跟你们步伐的人们创造了机会。我们特别感谢理查德·柯莱德(Richard Kreider)博士、约瑟·安东尼奥(Jose Antonio)博士和杰夫·斯托特(Jeff Stout)博士为运动营养学的发展提出指导,领导运动营养学的发展,以及为运动营养学做出的杰出贡献。第1章有益于训练和运动表现的食物和液体比尔·坎贝尔,博士,CSCS,FISSN玛利亚·斯帕诺,MS,RD,LD,CSCS,CSSD,FISSN

一名运动员的成功取决于很多可改变的因素。其中,最重要的因素包括良好的体能训练、运动心理、专项训练、营养、补剂、休息和恢复。这些因素不仅影响长期训练和后期表现,在单场竞赛中也发挥着重要作用。

营养和运动表现(以及营养和体形变化)的科学发展迅速。随着该研究领域的不断扩大,对影响运动员运动表现和体形的因素的研究不断深入,这导致对运动营养师的需求不断增长。在高校和职业体育领域,运动营养师都在运用科学研究为运动员提供完善的建议。在通常情况下,运动营养师与专项教练、体能教练和运动防护师一起,共同为运动员提供帮助。运动营养师帮助运动员调整饮食摄入量,掌握营养补充时机,改变补剂方案,了解与补剂相关的所有信息。运动营养师还帮助运动员制定健康的运动员专用膳食,测量体成分和骨密度,帮助运动员在超市中挑选食物,教导运动员基本的健康烹饪方法,并且和专家们一起为饮食紊乱的运动员制定治疗方案。营养研究的新进展

与运动员饮食相关的最热门的领域是什么?从宏量营养素到电解质平衡,再到能够减轻疲劳的补剂,运动营养学涵盖多层次的研究。宏量营养素的摄入时机与其本身一样重要。营养时机是指在训练或比赛的特定时间段内摄入特定营养物质的行为,其能影响体形变化、糖原补充、肌肉蛋白质合成和运动表现。

➤ 营养时机——在训练或比赛的特定时间段内通过摄入特定营养物质来达到期望效果的行为。

碳水化合物的摄入是营养补充时机中对很多运动员影响巨大的一个方向。二十年前,在碳水化合物的研究方面主要针对的是有氧耐力运动员。但是,此后人们主要研究抗阻训练前后碳水化合物摄入对糖原消耗后再合成(Robergs et al.,1991;Tesch et al.,1998)、激素分泌和肌肉蛋白质合成(Volek,2004)的影响。此外,碳水化合物的摄入类型也非常重要。饮用含有葡萄糖和果糖的饮料可能是保持水合(Jeukendrup and Moseley,2010)和节省内源性碳水化合物(Currell and Jeukendrup,2008)的最佳方式。一种由大麦支链淀粉制成的独特的高分子量淀粉类碳水化合物可能比单糖和双糖等低分子量碳水化合物更能够促进糖原恢复(Stephens et al.,2008)。

有关蛋白质的研究已经从早期的探究各种蛋白质来源的氨基酸组分[蛋白质消化率校正的氨基酸分数(PDCAAS)],发展到探究营养时机和与减重有关的蛋白质类型(如乳清蛋白)(Lockwood et al.,2008)。此外,研究人员已经确定支链氨基酸(BCAA)促进肌肉蛋白质合成的时机、机制和效果(Borsheim et al.,2002;Norton and Layman,2006;Tipton et al., 1999)。最后一种宏量营养素是脂肪,除碳水化合物和蛋白质外,脂肪可能对整体健康也至关重要。例如,共轭亚油酸(CLA)和中链甘油三酯等类型的脂肪在提升运动表现和促进减重方面的潜在作用也不断激发着研究人员的兴趣。

➤ 蛋白质消化率校正的氨基酸分数(PDCAAS)——一种根据人类氨基酸需求和易于消化的程度来评估蛋白质品质的方法。通常,百分之百表示最大值(超过100的数值会被去掉),而零表示最小值(Schaafsma,2000)。

虽然尚未证明摄入超过每日营养推荐摄入量(RDI)的微量营养素能够改善运动表现,但是基于大样本量人群的研究发现,一些人的某种微量营养素的摄入量没有达到每日营养推荐摄入量,而有些人甚至缺乏一种或多种微量营养素。并且,通过补充微量营养素来改善饮食性营养不良,可以直接或间接改善运动表现。例如,尽管对于铁摄入充足的人来说,补铁无益于运动表现的改善,但是对于铁摄入不足的人来说,补铁是可以改善疲劳和运动表现的。某些特定的人群可能更容易缺乏某种特定的微量营养素(例如女性比男性更易于缺钙和铁)。在某种情况下,补充微量营养素可以直接改善运动表现(例如缺铁性贫血)。此外,补充微量营养素有时会有助于改善整体健康,预防损伤和疾病(例如,补充维生素D)或者加快恢复过程(例如,补充钠会缓解口渴和促进水的再合成)。第6章将详细介绍各种微量营养素以及它们对运动表现的重要作用。

➤ 微量营养素——人体必需但含量较少的营养物质。所有的维生素和矿物质都是微量营养素。

补剂可能是运动员之间最热门的话题。身处一个热衷于找寻“魔术弹”的社会,运动员也在寻找任何可以帮助他们变得更强、更快、更精瘦,以及能更好提高注意力的东西。因此,很多运动补剂就出现在商店的货架上和进行身体锻炼/训练的人的橱柜里。幸运的是,科学研究已经证实了某些强化剂的市场宣称效果。肌酸、蛋白质、咖啡因、氨基酸、补充电解质的运动饮料、β-丙氨酸和高分子量淀粉类碳水化合物,都是目前最广泛被研究的补剂(第7章和第8章将对这些补剂进行详细介绍)。营养和运动表现

在有关运动员饮食的研究中,运动营养师关注的领域有三个:宏量营养素、水合作用和营养强化剂。宏量营养素的类型和剂量,以及摄入的时间对运动表现、恢复和身体健康都有重大影响。宏量营养素摄入的相关变量通常包括宏量营养素的摄入种类、摄入时间和摄入量,这些变量经常会立即影响运动员的感受。水合作用不仅涉及降低体温,也会影响电解质水平和营养物质的输送。最后,营养强化剂很受那些想在比赛中占据优势的运动员的欢迎。强化剂是非常大的补剂门类。不同强化剂在效果和安全性方面各不相同,有些强化剂有效果,有些没有效果;有些强化剂用起来会有危险,而有些强化剂却很安全。宏量营养素

对于维持生命的众多活动(包括保持人类身体结构和功能完整性)而言,宏量营养素(碳水化合物、蛋白质和脂肪)的摄入是很重要的。在运动营养领域,宏量营养素通常与能量产生和骨骼肌合成有关,这两个因素都是可以通过训练改变并促进力的产生的(见表1.1)。碳水化合物和脂肪是产生能量的主要营养物质。蛋白质产生的能量只占总能量利用的一小部分(Lemon and Nagle,1981;van Loon et al.,1999)。

➤ 宏量营养素——人体所需的大量物质。碳水化合物、蛋白质和脂肪都是宏量营养素。

三磷酸腺苷(ATP)是细胞的能量货币,它能够实现化学能向机械能的转化。食物中的能量(化学量)不能直接输送到细胞进行生物活动。但是,宏量营养素会通过富含能量的三磷酸腺苷化合物把能量输送给细胞(McArdle et al., 2008)。该过程分为两个基本步骤:(1)从宏量营养素中提取化学能并将其转移到ATP的键上;(2)进行ATP中的化学能的提取和转移,以便为诸如骨骼肌收缩之类的生物活动提供能量(McArdle et al.,2008)。在运动中,这三种宏量营养素会被氧化,转变为能量。有几种因素能决定宏量营养素的氧化程度,包括营养状态、运动强度和训练状态。接下来的章节将从为身体活动供应能量和增加去脂体重这两个方面来简要讨论宏量营养素的主要作用。有氧运动和无氧运动所需的燃料

在长时间运动中,骨骼肌主要通过氧化碳水化合物和脂肪(以脂肪酸的形式)来提供能量。随着运动强度增加,由碳水化合物转化而成的能量将占据更大的比重。当运动强度接近百分之百最大摄氧量时,骨骼肌将逐步使用更多的碳水化合物,而使用更少的脂肪(Mittendorfer and Klein,2003;van Loon et al., 1999)。但是,随着运动持续时间的延长,脂肪代谢增加,碳水化合物代谢下降(Jeukendrup,2003)。碳水化合物的主要来源是肌糖原、肝糖原、肝脏的糖异生作用(由非碳水化合物来源生成的碳水化合物),以及摄入的碳水化合物。虽说碳水化合物和脂肪是有氧运动中的主要能量来源,但是长期进行有氧训练的运动员可以改变这两种宏量营养素各自的能量贡献总额。全身量热法测量已经清楚地表明,有氧耐力训练可以增加既定运动强度下脂肪的氧化,减少碳水化合物的氧化(Coggan et al.,1990;Friedlander et al.,1997;Hurley et al., 1986)。虽然氨基酸不是能量的主要贡献者,但是一些临床研究已经证实,氨基酸对有氧运动能量的贡献与运动强度呈线性关系(Brooks,1987;Lemon and Nagle,1981;Wagenmakers,1998)。表1.1 与运动表现相关的宏量营养素的主要作用

短时间高强度无氧运动的能量来自体内储存的ATP-PC(三磷酸腺苷-磷酸肌酸)和可经糖酵解供能的碳水化合物(第2章将深入探讨碳水化合物代谢和糖酵解)(Maughan et al.,1997)。事实上,宏量营养素的无氧能量代谢只来自于糖酵解反应过程中的碳水化合物分解(McArdle and Katch, 2008)。此外,糖的无氧酵解还是ATP再合成的最快速的来源。由于其氧化速率和数量上的原因,糖酵解是持续时间为7秒到1分钟的全力运动中ATP再合成的主要来源(Balsom et al.,1999;Mougios,2006)。蛋白质与瘦体重

在短时间高强度运动中,氨基酸对总能量供应的贡献微不足道,可能只占据3%~6%。但是研究表明,在长时间运动中,氨基酸对总体ATP的贡献却高达10% (Hargreaves and Spriet,2006;Phillips et al.,1993;Brooks,1987)。蛋白质作为运动过程中的一种能源物质,其发挥的作用在很大程度上取决于支链氨基酸和丙氨酸的可利用性(Lemon and Nagle,1981)。在产生能量方面,蛋白质的作用有限。蛋白质的主要功能是增加和保持瘦体重。在为运动个体确定最佳膳食蛋白质剂量的时候需要考虑蛋白质的品质、能量摄入、碳水化合物摄入量、运动方式和强度,以及蛋白质摄入的时机等多个要素(Lemon,2000)。想要深入了解蛋白质的各种类型和特定蛋白质的摄入建议,请参看第3章。对进行锻炼的个人而言,每天摄入1.5~2.0克/千克体重的蛋白质不仅非常安全,而且还有助于提升对训练的适应性(Campbell et al.,2007)。水合作用

水合作用不仅仅涉及身体水分的补充,同时也是为身体输送电解质、糖和氨基酸的一种方式。脱水和血钠过少(低钠血症,通常是因为身体中水分过多或钠的含量过少)都会影响“周末战士”和有训练经验的运动员。此外,脱水会增加核心体温,导致热病(Greenleaf and Castle,1971)。即使是更为常见的轻度缺水,也会导致力量和有氧耐力的下降,进而影响运动表现(Bigard et al.,2001;Schoffstall et al.,2001;Walsh et al.,1994)。青少年和老年人是最易患热病的两大群体,这些热病包括热痉挛、热衰竭和中暑(Wexler,2002)。造成青少年面临高热疾病危险的两大因素是:(1)青少年不像成年人一样易出汗(出汗有助于散热);(2)相同体重下,青少年的相对体表面积更大,当环境温度上升时,他们吸收的热量就更多(Delamarche et al.,1990;Drinkwater et al.,1977)。

对老年人而言,年龄增长会带来口渴感和体温调节的变化,这会导致他们更容易脱水。老年人血容量下降时口渴感下降,肾脏的蓄水能力降低,且体液和电解质平衡会发生紊乱(Kenney and Chiu,2001)。一些处方药和心血管疾病(在美国,心血管疾病依旧是造成死亡的第一大诱因)也会影响体液平衡(Naitoh and Burrell,1998)。

对加强水合作用的诉求促使人们开始研究超级保湿剂(例如甘油)。此外,营养学家研究了在运动饮料和普通电解质饮料中加入氨基酸对水合作用和肌肉损伤的影响。幸运的是,饮料公司持续赞助关于其产品功效的研究。这也说明人们一直在关注水合作用及其对人体健康和运动表现的作用。对其产品进行研究的饮料公司,应该雇用与公司没有利益往来的独立实验室来进行公正的、精心设计的临床试验。强化剂

当代奥林匹克运动员和那些想要成为校篮球队成员的高中运动员没有任何区别,他们都想提升自身的运动表现。所有想要提升运动表现的运动员自然都会持续改善他们的训练方案。人们不仅关注训练方法,而且也同样关注使用强化剂来提升运动表现。强化剂是用于改善运动表现的一些营养类、生理类、器械类、心理类或医药类的物质或设备。根据这一定义,强化剂可以提升人体做功的能力(McNaughton,1986),其不仅包括有氧耐力运动员使用的咖啡因,还包括滑雪运动员使用的护目镜。营养强化剂受到运动员和运动行业其他人的广泛关注。它们可以直接影响个体的生理能力(进而提升运动表现),也能加快从训练和竞赛中恢复的速率。

➤ 强化剂——一种提高人体做功能力的物质或设备,包括一些能够提升运动表现的营养类、生理类、器械类、心理类或医药类的物质或设备。宏量营养素和运动补剂

营养强化剂分为两大类:宏量营养素的摄入方法(糖负荷、在力量训练阶段增加蛋白质摄入量等)和膳食补剂的摄入。膳食补剂是一种用于完善饮食营养成分的产品,其包含以下一种或多种成分:维生素、矿物质、氨基酸、草药或其他植物性药材。膳食补剂通过增加某种宏量营养素的总摄入量或总卡路里(热量)来完善饮食。膳食补剂是上述提到的任意一种或多种成分的浓缩物、代谢产物、化学成分、萃取物,其可以以液体、胶囊、粉末、软胶囊或新椭圆胶丸(囊形片)的形式补充。膳食补剂不是一种传统的食物,也不是膳食或饮食中的一种单一物质(Antonio and Stout,2001;U.S.Food and Drug Administration,1994)。只有当运动员出现相应的营养素缺乏问题时,一些经常使用的膳食补剂(例如维生素和矿物质)才被称之为强化剂。其他强化剂并非专门用来弥补营养缺失,而是能带来其他的特殊功效。例如,一名曲棍球运动员在季前赛之前连续4~6周服用一种控释性β-丙氨酸补剂,以改善某一特定的训练和恢复过程(即缓解疲劳)。营养强化剂和运动补剂都属于膳食补剂的范围。在通常情况下,补剂提供一种物质(单水合肌酸、α-酮戊二酸等),这种物质是正常生理和生物化学过程的一部分。其他营养强化剂通过增加生理或生物能量的途径来增加能量产成(例如单水合肌酸、咖啡因)或骨骼肌质量(单水合肌酸、亮氨酸等)。表1.2 列出了常见的运动补剂及其对身体健康和运动表现的一些裨益。表1.2 常见运动补剂的裨益强化剂使用的普遍性

在人类历史发展过程中,运动员不断在尝试使用营养强化剂来改善运动表现。古希腊人可能是最早考虑通过适当的饮食和补剂来获取竞争优势的群体(Antonio and Stout,2001)。据说,公元前5世纪的希腊战士通过食用迷幻蘑菇和鹿肝等物质来增强身体机能(Applegate and Grivetti,1997;McArdle and Katch,2008)。想要了解古代运动员饮食习惯的历史信息,请参看葛雷维提(Grivetti and Applegate,1997)以及格朗让(Grandjean, 1997)的研究。

对以往营养补剂食用行为的回顾可以发现,不同文明时代的运动员都摄入了营养强化剂。但是在现代社会,食用营养强化剂的个体类别和普遍性已经发生变化。有关高中生运动员的统计数据已经说明了这一变化(Hoffman et al.,2008)。一份自我报告调查询问了大约3000名美国8年级到12年级的中学生(男女生人数几乎相同)的饮食补剂摄入情况。结果表明,71.2%的青少年食用至少一种补剂,最常用的补剂是多种维生素和高能饮料。年级越高,使用补剂(例如肌酸、蛋白粉和增重制剂)来增加体重和力量的学生越多,且男生比女生更普遍使用。该调查的作者认为青少年对营养补剂和强化剂的依赖更大。其他基于调查的研究也有类似的发现(Bell et al.,2004;O’Dea, 2003)。

随着越来越多的青少年和高中生运动员摄入营养强化剂,他们的教练、运动防护师、私人教练、康复医生和父母需要增加这方面的知识储备。“周末战士”、对肌酸给孩子带来的长期效果感兴趣的妈妈们、努力想要更瘦的健身达人都应该了解营养和强化剂的相关知识,以及它们影响人体生理的方式。得益于运动营养学研究的不断增加,关于这方面的信息越来越多。专业应用

运动员、教练、体能教练、运动防护师和其他支撑人员对准确的营养和补剂信息的需求很明确。人们通过各种调查,包括一般营养知识调查问卷(GNKQ)和营养态度测试(EAT-26)来评估运动员在营养方面的认知(Raymond-Barkeretal.,2007)。其中大部分研究表明运动员这方面的知识很有限。研究已经发现,营养学或与营养学相关的学科的正规教育对运动员营养方面的知识并没有影响(Raymond-Barkeretal.,2007)。此外,营养知识也不一定会影响患有女性运动员三联征(饮食失调、骨质疏松、闭经)风险的运动员的饮食态度(Raymond-Barkeretal.,2007)。女性青少年可能存在营养误区(Cupisti, 2002)。大学生运动员总体上不能辨别所有宏量营养素的推荐用量,并且很多人也不知道各种维生素对身体的作用)(Jacobsonetal.,2001)。而且,教练员对运动营养学相关知识也知之甚少(Zinnetal.,2006)。

想要弥补运动营养学知识欠缺需要进行测试和教育。在测试完运动员的体成分和骨密度,以及分析完饮食记录和主观数据(运动员的感觉和能量水平等)后,运动营养师可以利用这些结果作为教育的起点。此外,对运动员进行一对一咨询也能使运动员有更多的机会来询问相关问题。运动营养师对当前研究知识的了解和掌握如何将这些知识应用到运动员身上,对于帮助运动员提升其运动表现至关重要。运动营养师利用这些知识为运动员制订计划和进度表,提出有效的建议,并帮助饮食失调的运动员制订治疗计划。小结

■ 运动营养师是运动训练团队不可或缺的一部分。该运动训练团队还包括专项教练、体能教练、运动防护师、运动心理师、队医和物理治疗师。

■ 碳水化合物和脂肪是为运动员提供能量的两大营养物质。

■ 碳水化合物的主要来源是肌糖原、肝糖原和肝脏的糖异生作用(由非碳水化合物来源生成的碳水化合物),以及摄入的碳水化合物。

■ 有氧耐力训练会增加既定运动强度下总脂肪的氧化量,降低总碳水化合物氧化量。

■ 由于氧化速率和氧化数量方面的特征,碳水化合物是在持续时间为7秒到1分钟的最大强度运动中ATP再合成的主要来源。

■ 蛋白质的主要功能是增加和保持瘦体重。

■ 对进行身体活动/运动的个体而言,每天摄入1.5~2.0克/千克体重的蛋白质不仅非常安全,而且还有助于提升对运动训练的适应性。

■ 脱水会导致核心体温上升,从而导致热病。即使是更为常见的轻度缺水,也会导致力量和有氧耐力的下降,进而影响运动表现。

■ 青少年和老年人是最易罹患高热疾病的两大群体。这些高热疾病包括热痉挛、热衰竭和中暑。

■ 虽然尚未证明摄入超过每日营养推荐摄入量(RDI)的微量营养素能够改善体能,但是基于大样本量人群的研究发现,一些人的某种微量元素的摄入量没有达到每日营养推荐摄入量,还有一些人甚至缺乏一种或多种微量元素。而且,某种营养素的摄入不足或缺乏会直接或间接影响运动表现。

■ 目前研究最多的补剂包括肌酸、蛋白质、咖啡因、氨基酸、电解质运动饮料、丙氨酸和高分子量淀粉类碳水化合物(第7章和第8章会对其进行详细说明)。第2章碳水化合物多诺万·福格特(Donovan L.Fogt),博士

碳水化合物是由碳、氢、氧原子组成的一种化合物。例如,葡萄6126糖(血液中以血糖形式存在的糖)的化学式是CHO。绝大多数人体碳水化合物来自于植物性食物,但也有些食用碳水化合物来自动物制品。肝脏可以利用特定的氨基酸和脂肪的某些成分(例如甘油)来合成碳水化合物。

人体利用碳水化合物来完成很多重要功能。就能量代谢和运动表现来说,不同组织中的碳水化合物具有以下四个重要功能:

■ 碳水化合物是神经细胞和红细胞的代谢能量燃料。

■ 碳水化合物是骨骼肌,特别是参与运动的骨骼肌的代谢能量燃料。

■ 在碳水化合物代谢时,碳水化合物可以作为脂肪进入三羧酸循环的引物。

■ 在运动和强度训练过程中,碳水化合物起到节省蛋白质的作用。

碳水化合物的主要作用是为神经细胞和红细胞提供代谢燃料。神经组织可以使用的替代燃料来源非常有限,而红细胞只能使用葡萄糖。正常条件下,大脑几乎只使用血糖(葡萄糖)。为了能够正常工作,人体将血糖水平维持在极小的范围内。尽管神经和红细胞为正常的心血管功能、肌肉募集和氧气运输提供解剖和生理基础,但是它们的碳水化合物需求通常没有被纳入运动代谢范围之内。人体中碳水化合物的第二个作用是为收缩的骨骼肌提供能量燃料。来自碳水化合物分解代谢的能量为肌肉收缩和其他生物过程提供动力。因此,当运动员由休息状态变为高强度运动状态时,骨骼肌对碳水化合物的依赖程度会增加(本章后部分将继续讨论)。平滑肌收缩也需要碳水化合物的氧化。碳水化合物氧化(碳水化合物的分解)的第三个作用是用作脂肪进入三羧酸循环的引物。在三羧酸循环中,脂肪酸分解出的两个碳原子(乙酰辅酶A)单元与糖代谢的中间产物相结合,从而促进脂肪氧化。如果没有充足的三羧酸循环引物,就不可能有正常的脂肪代谢。最后,碳水化合物的代谢可以节省蛋白质代谢,有助于三磷酸腺苷(ATP)的能量供给,让蛋白质在维持、修复和促进组织结构生长方面发挥主要作用。碳水化合物的种类

不是所有的碳水化合物都具有相同的形式和功效。而且,它们对运动表现的影响也不一样。只含有一个葡萄糖单位的碳水化合物是单糖。饮食中能够被人体吸收的单糖都有六个碳分子,只是它们的化学结构有微小差别。然而,这些细微的差别会导致很大的代谢差别。通过化学键结合在一起的单糖数量是区分不同碳水化合物种类的基础,并且这些化学键也能提升体内碳水化合物的功能。“糖”这个术语通常指单糖和双糖,例如蔗糖(也称作食糖)。“复合糖”和“淀粉”被广泛地用来指有更长的化学链的糖分子或单糖的聚合物,这些糖来自植物或来自植物制成的食物,例如谷物、面包、麦片、蔬菜和米饭。接下来的章节将讨论这些种类的糖及食物中的其他糖分。对于运动员而言,了解碳水化合物的种类和其对身体的作用至关重要——包括哪些类型能快速恢复消耗的肌糖原,哪些类型能在比赛中维持血糖水平(这对保持力量很重要),哪些类型能促进身体健康(例如心血管健康)。单糖

在人体中,有三种饮食单糖分子的己糖(六碳)化学式排列相6126似,都是CHO。这三种单糖是葡萄糖、半乳糖和果糖(见图2.1)。葡萄糖,也被称作右旋糖或血糖,是人体中最重要的单糖,也是人体细胞使用的最主要的单糖。人体可以通过饮食很容易地吸收这种单糖。人体也可以通过摄入和转化其他单糖来合成葡萄糖,或者是将葡萄糖从淀粉和糖原等更复杂的碳水化合物分子中释放出来。在糖原异生过程中,肝脏会将其他诸如氨基酸、甘油、丙酮酸和乳酸等化合物转化生成葡萄糖。图2.1 碳水化合物分子的化学结构。葡萄糖、半乳糖和果糖都是单糖。两个单糖分子组成双糖,例如麦芽糖、蔗糖和乳糖。更多单糖分子形成长链状会成为复杂的多糖分子,例如麦芽糖糊精、直链淀粉和支链淀粉

[图片来源说明:Reprinted, by permission, from A. Jeukendrup and M.Gleesom, 2010, Sport nutrition, 2nd ed.(Champaign, IL: Human Kinetics), 4.]

➤ 糖异生——非碳水化合物转化生成葡萄糖。

摄入人体的葡萄糖在被消化后会被小肠吸收,然后进入血液成为细胞新陈代谢的能量来源,或者成为存储在细胞间的糖原(主要是在肝脏和骨骼肌中),或者在一定程度上被肝脏用来转换成脂肪。与葡萄糖相比,果糖和半乳糖的碳原子、氢原子和氧原子的化学链稍有不同。果糖是最甜的糖,也被称作左旋糖或水果糖。通常,果糖存在于水果和蜂蜜中。食用果糖被小肠吸收后进入血液,然后被输送到肝脏转化为葡萄糖。半乳糖是天然存在的,半乳糖一般与葡萄糖结合在一起,形成乳糖。乳糖只存在泌乳人群或动物的乳腺中。像对待果糖一样,肝脏也会将食用半乳糖转化为葡萄糖。在这三种单糖中,葡萄糖是最重要的,对于那些锻炼的人群或正在接受训练的运动员来说尤其如此。果糖和半乳糖一旦被小肠吸收,就必须进入肝脏以转化为葡萄糖,而这一过程需要花费一些时间。相反,摄入的葡萄糖可以更容易被正在工作的肌肉使用。低聚糖

低聚糖(来自希腊用语“oligo”,意思是很少)是由2到10个单糖结合在一起构成的。双糖由两个单糖组成,是大自然中发现的最主要的低聚糖。葡萄糖分子和果糖分子通过化学键结合成蔗糖。葡萄糖分子和半乳糖分子结合在一起就是乳糖。两个葡萄糖分子结合在一起就是麦芽糖。蔗糖,或称“餐桌上的糖”,是最常见的食用双糖,其占到美国总能量消费的四分之一(Liebman, 1998)。绝大部分的碳水化合物都富含蔗糖,特别是在精加工食品中分布广泛。牛奶糖,或乳糖,是甜度最低的双糖。麦芽糖,又称饴糖,常见于谷物制品,例如谷物和种子食物。虽然麦芽糖包含两个葡萄糖单糖,但是它只占日常饮食碳水化合物中的一小部分。单糖和双糖都被称作为简单糖。在商业贸易中,这些糖类被冠以不同的名称。红糖、玉米糖浆、果子露、糖蜜、大麦芽糖、转化糖、蜂蜜和天然甜味剂等都属于简单糖。在美国,很多食物和饮料都含有高果糖玉米糖浆。这些高果糖玉米糖浆主要由葡萄糖组成,但也含有足够的果糖来增加食物的甜味,从而使食物像甜菜或甘蔗糖一样甜。多糖

多糖是由十个到成千个以化学方式链接的单糖分子组成的一种碳水化合物。多糖来自于植物和动物。淀粉和纤维是多糖的植物来源。在人体和动物组织内,葡萄糖的储存形式为糖原。淀粉

淀粉是葡萄糖在植物中的存储形式。通常以高浓度的形式存在于植物种子、玉米和各类谷物中,它们被用来制作面包、谷类食品、比萨和点心。另外,豌豆、黄豆、土豆和根茎类蔬菜也含有淀粉。这种形式的多糖占据了美国人的碳水化合物饮食摄入量的50%(Liebman,1998)。淀粉有两种形式:(1)直链淀粉,一长直串的葡萄糖单元扭成一个螺旋线圈;(2)支链淀粉,一个有很多分支的单糖高分子结构。特定植物食品中每种淀粉的相对比例决定该淀粉的消化特性,包括“可消化性”,或者说摄入的食物中可以被人体吸收的比例。支链淀粉含量比较多的淀粉更容易被消化,也更容易被小肠吸收。相比之下,直链淀粉含量较多的淀粉不太容易被消化,因此其转化为血糖的速度也就降低了。“复合糖”通常指的就是食用淀粉。纤维

纤维是一种结构化的非淀粉类多糖。美国国家科学院(National Academy of Sciences,NAS)使用三段文字描述了人体纤维的摄入(NAS,2002):

■ 膳食纤维由植物中含有的难以消化的碳水化合物和木质素组成,包括难以消化的淀粉。

■ 功能性纤维包含单独的、难以消化的碳水化合物。但是它们对人体有益处(肠道细菌能够发酵一小部分的水溶性膳食纤维,从而生成短链脂肪酸;这些脂肪酸可以被人体吸收,并用作肠道上皮细胞或白细胞的燃料)(Adamo,1990;Roediger,1989)。功能性纤维是近期出现的新型纤维分类。功能性纤维这个术语用来描述一些具有促进人体健康功效的纤维。功能性纤维不仅包括一些来源于植物可食用但难以消化的纤维,也包括来源于商业制造的碳水化合物。

■ 全纤维包括食用纤维和功能性纤维。

不同纤维的物理特性、化学特性和生理功效大不相同。树叶、树干、根茎、种子和果皮的细胞壁含有不同种类的碳水化合物纤维(纤维素、半纤维素和果胶)。纤维素是地球上最丰富的有机分子(含碳化合物)。在通常情况下,食用纤维分为水溶性食用纤维和非水溶性食用纤维,而某些食用纤维可以从食物中提取出来单独存在并在市场上作为功能性纤维出售。非水溶性纤维包括纤维素和半纤维素。在通常情况下,麦麸就是一种富含纤维素的食物。水溶性纤维包括车前草、β-葡聚糖、果胶和瓜尔豆胶,主要存在于燕麦、黄豆、糙米、豌豆、胡萝卜、玉米皮和很多水果中。因为食用纤维能够保持大量的水分,所以在肠道中的食物残渣大都是纤维质。非水溶性纤维与肠壁上的细胞发生摩擦,这有助于提升肠胃功能和肠胃健康。而水溶性纤维缩短了食物残渣通过消化道的时间。下文列出了一些水溶性纤维和非水溶性纤维,以及它们各自的食物来源。通常,美国人每天的饮食中会含有12~15克的纤维(Lupton and Trumbo,2006)。这一摄入量远远低于美国国家科学院食品和营养委员会的推荐量,即38克/天(男性)和25克/天(女性)(对于50岁以上的男性和女性,摄入量分别是30克/天和21克/天)(NAS,2002)。食用纤维的类型和来源水溶性纤维

车前草              果胶

β-葡聚糖           瓜尔豆胶富含水溶性纤维的食物

燕麦               蔬菜

糙米               水果非水溶性纤维

纤维素              木质素

半纤维素             几丁质富含非水溶性纤维的食物

麦麸               蔬菜

全麦粉              全谷物

纤维受到研究人员和市场媒体的广泛关注。这主要是因为,有研究发现,高纤维(特别是全谷物纤维)的摄入与心脏和外周动脉疾病(如高血脂,血脂水平升高)、肥胖症、糖尿病和包括肠胃癌在内的消化不良等疾病的发病率降低有关(Marlett et al.,2002)。

摄入充足的纤维不会直接影响运动表现,但是会提升整体健康和预防慢性病。糖原

糖原是一种由大量的葡萄糖单元组成的支链型高分子,是碳水化合物在体内的存储形式。这种形状不规则的多支多糖聚合物由几百个到几千个葡萄糖单元组成。这些葡萄糖单元连接在一起形成致密颗粒。糖原高分子也含有一些酶。有些酶负责糖原的合成、分解或调节与糖原合成降解有关的过程。糖原大大增加了两餐之间和肌肉收缩时立即可用的碳水化合物的数量。

糖原主要存储在肝脏和骨骼肌。肝脏中糖原的浓度比较高。但是,因为人体骨骼肌分布广泛,所以骨骼肌存储的糖原总量更高(大约是400克糖原,即70 毫摩尔/每千克肌肉或12克/每千克肌肉)(Essen and Henriksson, 1974)。骨骼肌中的糖原代谢对胰岛素控制血糖稳定有重要作用。胰岛素是调节血糖水平最重要的物质,其可以促进骨骼肌的血液流动,刺激骨骼肌中的葡萄糖摄取、糖酵解和糖原合成。糖酵解是指碳水化合物(葡萄糖)快速分解生成ATP的过程。糖原存储最大化不仅对有氧耐力运动员很重要,对参加高强度训练的运动员也十分重要。第9章会探讨在力竭运动之后糖原再合成最大化的一些营养策略。

➤ 胰岛素——胰腺释放出的激素,在血糖和氨基酸浓度升高时发挥作用,加快组织对这两种物质的吸收。血糖指数

不同种类碳水化合物的血糖指数(GI)是反映人体吸收50克碳水化合物后血液中血糖水平上升速率的指标(Burke et al.,1998)。一种食物的血糖指数很大程度上取决于摄入食物中的碳水化合物可以被小肠里面的酶进行水解和后续吸收的速率。反过来,胃排空和糖或淀粉对肠道内酶类的物理可用性也决定了某种食物的肠道消化率。

诸如糙米、全麦比萨、多谷物面包等类型的食物吸收速率低,血糖指数也低。高血糖指数的食物包括很多运动饮料和软饮料,以及精制糖(蔗糖)、精制大米、比萨和土豆泥等食物,尽管短暂,但这些食物会显著促进血糖增加和胰岛素分泌。多糖的血糖反应并不总是低于简单糖食物的血糖反应,因为烹饪会改变淀粉颗粒的完整性,从而提高血糖指数。在预测液体碳水化合物和固体碳水化合物的血糖指数时应该考虑这点(Coleman,1994)。

鉴于膳食碳水化合物是运动准备、运动表现和运动后恢复的重要组成部分,进行训练的运动员对碳水化合物的需求会增加(Costill,1988)。在高强度身体训练时,运动员的每日碳水化合物摄入需求可能超过10克每千克体重。运动员可以综合利用低血糖反应碳水化合物和高血糖反应碳水化合物来提升运动表现。例如,在长时间有氧耐力训练中,食用高血糖反应的碳水化合物有助于保持血糖水平(Jeukendrup and Jentjens,2000;Jeukendrup,2004)和促进训练后肌糖原的快速恢复。但是,人们也可以食用一些吸收较慢、不精细的多糖来优化运动间隙的肌肉碳水化合物存储(Ivy,2001)。食用低血糖指数的碳水化合物有助于维持血糖水平,在超长时间的运动和恢复期预防血糖出现大幅度的下降。

接下来的章节将讨论身体内碳水化合物的调节,包括血糖维持、糖原合成和分解,以及有氧氧化和无氧酵解。体内糖的调节

碳水化合物是人体内的一种重要的燃料来源,但其数量有限。休息状态下,肝脏、胰腺和其他器官一起将血糖水平控制在一个较小的范围内,以满足不同身体组织对碳水化合物的需求。因为骨骼肌中存储的有限的糖原是肌肉收缩的重要能量来源,所以休息状态下人体很少用到这种碳水化合物。进食后,人体尽可能多地以糖原的形式存储碳水化合物,同时刺激碳水化合物燃料的使用,使血糖水平回归正常。在禁食状态,人体将调动葡萄糖前体物质来实现肝脏糖原异生(肝脏糖异生),同时促进脂肪氧化以便获取能量来节省碳水化合物燃料。

在运动和比赛期间,人体通过增加碳水化合物和脂肪的分解,以及提高肝脏糖异生的速率来维持血糖水平。运动中碳水化合物和脂肪的动员程度取决于多个因素,但是最为重要的因素是运动本身(例如参与运动的肌肉总量和肌肉收缩的强度)。血糖稳定

一般情况下,一个成人身体里的总血量大约为5升。在这5升总血量中,大约有5克葡萄糖。从食物中摄取碳水化合物、肝糖原分解(肝糖分解)和糖异生都有助于保持血糖水平。在禁食阶段,糖异生对血糖水平的保持作用更大。休息状态下,肌肉内的葡萄糖和糖原使用率很低。血浆胰高血糖素和胰岛素的平衡对血糖和身体组织的糖原利用具有最强的调节功效。当血糖低于正常水平时,胰腺的α细胞就会分泌胰高血糖素。胰高血糖素是一种碳水化合物调动激素,其可以促进肝脏的糖异生和肝糖分解,从而使血糖水平回归正常(见图2.2)。当血糖水平在进食后超过正常值,胰腺的β细胞就会分泌胰岛素。胰岛素降低血液中葡萄糖的方式有两种,包括增加胰岛素敏感的组织(主要是骨骼肌和脂肪组织)的血流量和刺激糖分子扩散到对胰岛素敏感的细胞中来。胰岛素也可以刺激细胞的能量代谢,氧化碳水化合物,加快以糖原的方式存储葡萄糖,并抑制肝脏和骨骼肌的糖原分解和肝脏糖异生。在训练实践的角度,确保这些系统的正常工作对于保持血糖水平非常重要,因为有氧耐力会随血糖水平的下降而下降。图2.2 胰腺胰岛素和胰高血糖素维持血糖稳定的作用过程糖原合成

糖原存储在骨骼肌和肝脏中。肌糖原是高强度有氧或无氧运动的一种非常重要的能源物质。肝糖原降解成葡萄糖,然后被输送到血液中,以便在有氧耐力运动中维持血糖水平。本节将解释糖原是如何被合成的。

在糖原合成过程中,细胞内的葡萄糖要几经转变才能生成尿苷二磷酸(UDP)-葡萄糖(Leloir,1971)。这一反应需要经历三个步骤:

1.葡萄糖在进入细胞的过程中被己糖激酶催化成葡萄糖-6-磷酸。

2.葡萄糖-6-磷酸通过葡萄糖磷酸变位酶转化为葡萄糖-1-磷酸。

3.在由尿苷二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶催化的反应过程中,葡萄糖-1-磷酸和尿苷三磷酸合成尿苷二磷酸-葡萄糖。

形成的尿苷二磷酸-葡萄糖可以促进糖原分子的增长。这一过程受到糖原合成酶的催化作用。这时,只要多糖链含有四个以上的葡萄糖残基,就会使其再增加一个葡萄糖单位。糖原不单单是一长串重复的葡萄糖合成物,它还是一种多分支的聚合物。这种分支很重要,因为它能增加糖原的溶解度,也能够促进糖原的快速合成与降解(在高强度运动中,这有助于提供更多葡萄糖,使其进行糖酵解来产生能量)。

➤ 磷酸化——将磷酸基团加在另一个分子上的过程。磷酸化可以激活和去激活很多蛋白酶。糖原分解

一旦运动过程中糖原发生降解,这就说明人体需要ATP来为骨骼肌收缩提供燃料。糖原分解的目的是释放葡萄糖(特别是葡萄糖-1-磷酸)化合物,并使葡萄糖可以进入糖酵解,加快ATP的生成。

➤ ATP——一种由细胞合成和使用的高能磷酸化合物,用于释放能量供细胞工作所用。

在糖原分解的复杂过程中,糖原分解产生的单个葡萄糖化合物形成葡萄糖-1-磷酸(由磷酸化酶催化而成)。磷酸化酶将糖基残留物从糖原分子的非还原端逐一移除。糖原分解过程中形成的葡萄糖-1-磷酸被葡萄糖磷酸变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸。在骨骼肌中,从糖原分解出来的葡萄糖-6-磷酸,与由血液进入细胞的葡萄糖转化而成的葡萄糖-6-磷酸一起,进入糖酵解代谢过程。肝脏,和一部分的肾脏,要么通过糖酵解处理糖原分解的葡萄糖-6-磷酸,要么将糖原分解的葡萄糖-6-磷酸去磷酸化,然后将这些葡萄糖释放到血液中。在细胞葡萄糖代谢过程中(例如糖原合成和糖原分解),葡萄糖-6-磷酸这种媒介在葡萄糖存储和葡萄糖氧化的各种转化过程中发挥中心作用(见图2.3)。糖酵解

在运动、高强度训练和比赛中,人体需要快速获得ATP以便产生能量。产生ATP最快的方式之一就是糖酵解。简而言之,糖酵解就是分解碳水化合物(例如葡萄糖)来产生ATP的过程。糖酵解发生在肌肉组织的细胞质中。糖酵解的一个重要生理成果就是能相对较快地生成ATP ,从而用于肌肉收缩。从图2.4可以看出,糖酵解是一组10个由酶控制的化学反应链。它的起点是一个含有六个碳原子的葡萄糖,终点是两个含有三个碳原子的丙酮酸分子。图2.3 细胞内葡萄糖-6-磷酸在骨骼肌、肝脏和肾脏的糖酵解、糖原存储和肝糖分解中的中心角色

糖酵解最后产生的丙酮酸可能有两种命运:转变为乳酸,或进入线粒体。接下来的一节将描述乳酸的产生。进入线粒体的丙酮酸先转化为乙酰辅酶A,然后再进入众所周知的三羧酸循环。三羧酸循环在一系列酶催化的化学反应过程中,进一步使丙酮酸-乙酰辅酶A进行代谢。最终,三羧酸循环里的这些化学反应会生成烟酰胺腺嘌呤二核苷2酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH)。他们会将电子传递给线粒体中的电子传递链。这些电子传递链促进生成更多的ATP来为骨骼肌收缩提供燃料。但是与糖酵解生成的ATP相比,这种ATP生成的速率较慢。了解糖酵解产生ATP的速率更快这一点是非常重要的,特别是在高强度训练或运动中。这种ATP生成方式主要是由葡萄糖分解来促成的,所以确保膳食中含有充足碳水化合物的重要性也就很容易理解了,这样才能在训练和比赛中为高强度运动提供燃料。

➤ 线粒体——细胞中负责利用氧产生ATP的结构,三羧酸循环、电子传递链和脂肪酸循环均位于线粒体。乳酸的产生和清除

前文已经提到,糖酵解的终产物是丙酮酸。丙酮酸可以转化为乙酰辅酶A,然后进入三羧酸循环。丙酮酸也可以转化为乳酸。丙酮酸转化为乳酸的这一过程被称为无氧糖酵解。一旦在细胞内生成,乳酸就通过释放氢离子进行快速解离,并降低细胞质的pH值。解离出氢离子后,乳酸变为乳酸根。细胞内的pH值随乳酸的产生而下降,这会对众多代谢环节和肌肉收缩过程产生不利的影响。因此,必须立即减少细胞中的乳酸或者将其排除到细胞外清除。人体在休息和低运动强度时会产生少量的乳酸。大部分乳酸在细胞内就可以很容易地被清除。有些乳酸需要被运输到细胞外进行快速无害的处理。血浆血红蛋白是最重要的细胞外缓冲物。此外,血浆中的碳酸氢根也具有细胞外化学缓冲的作用。在持续高强度的肌肉收缩过程中,肌肉会有疼痛或灼烧的感觉。这主要是由于pH值下降刺激了肌细胞外游离神经细胞末梢。剩下的含有3个碳原子的乳酸根是可以被用作非运动肌、心肌,甚至是参与运动的肌肉本身的一种潜在燃料(Van Hall,2000)。在无氧阈所对应的中高强度运动中,乳酸的生成速率超过了细胞内的缓冲能力,这造成多余的乳酸就被转移到细胞外。随着运动强度的增加,血液中的乳酸水平会快速增加。高强度运动中产生的过多乳酸对肌肉做功能力有负面作用。但是这种代谢副产品的生成有助于促进短时间内碳水化合物经无氧代谢生成ATP。

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